場效應(yīng)三極管ppt課件

1、只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場效應(yīng)來控制只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場效應(yīng)來控制電流的三極管，稱為電流的三極管，稱為場效應(yīng)管，場效應(yīng)管，也稱也稱單極型三極管。單極型三極管。場效應(yīng)管分類場效應(yīng)管分類結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管特點特點單極型器件單極型器件( (一種載流子導(dǎo)電一種載流子導(dǎo)電) )； 輸入電阻高；輸入電阻高；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。成本低。DSGN符符號號1.4.1 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)N型型溝溝道道N型硅棒型硅棒柵極柵極源極源極漏極漏極P+P+P 型區(qū)型區(qū)耗盡層耗盡層( (PN 結(jié)

2、結(jié)) )在漏極和源極之間加在漏極和源極之間加上一個正向電壓，上一個正向電壓，N 型半型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是導(dǎo)電溝道是 N 型的，型的，稱稱 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管溝道結(jié)型場效應(yīng)管。P 溝道場效應(yīng)管溝道場效應(yīng)管N+N+P型型溝溝道道GSD P 溝道場效應(yīng)管是在溝道場效應(yīng)管是在 P 型硅棒的兩側(cè)做成高摻型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的雜的 N 型區(qū)型區(qū)( (N+) )，導(dǎo)電溝導(dǎo)電溝道為道為 P 型型，多數(shù)載流子為，多數(shù)載流子為空穴?？昭ā７柗朑DS2、工作原理、工作原理 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管溝道結(jié)型場效應(yīng)管用改變用改變 UGS 大小來控制漏極電流大小來

3、控制漏極電流 ID 的。的。GDSNN型型溝溝道道柵極柵極源極源極漏極漏極P+P+耗盡層耗盡層*在柵極和源極之間在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變加反向電壓，耗盡層會變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流漏極電流 ID 減小，反之，減小，反之，漏極漏極 ID 電流將增加。電流將增加。 *耗盡層的寬度改變耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。主要在溝道區(qū)。 在漏極與源極間電壓一定時，在漏極與源極間電壓一定時，漏極電流漏極電流iD的大小取決于溝道的電阻，的大小取決于溝道的電阻，當(dāng)材料電阻率和溝道長度一定時，當(dāng)材料電阻率和溝道長度一定時，溝

4、道的電阻，主要由導(dǎo)電溝道的有溝道的電阻，主要由導(dǎo)電溝道的有效截面積決定，因此，通過改變導(dǎo)效截面積決定，因此，通過改變導(dǎo)電溝道的截面積，就可以控制漏極電溝道的截面積，就可以控制漏極電流電流iD的大小。的大小。 1）溝道電流的可控性）溝道電流的可控性iD2）柵源電壓改變溝道大?。〇旁措妷焊淖儨系来笮?當(dāng)漏極與源極之間的電壓不變時，當(dāng)漏極與源極之間的電壓不變時，改變兩個改變兩個PN結(jié)耗盡層的大小，就可結(jié)耗盡層的大小，就可以控制導(dǎo)電溝道的有效截面積的大小，以控制導(dǎo)電溝道的有效截面積的大小，也就改變溝道的導(dǎo)電能力。在柵極和也就改變溝道的導(dǎo)電能力。在柵極和源極之間加上負(fù)電壓（即源極之間加上負(fù)電壓（即uGS

5、 0），），此時兩個此時兩個PN結(jié)均為反向偏置，加大結(jié)均為反向偏置，加大這個反偏電壓，耗盡層不斷變寬，溝這個反偏電壓，耗盡層不斷變寬，溝道的導(dǎo)電截面積逐漸減小，溝道電阻道的導(dǎo)電截面積逐漸減小，溝道電阻就隨之增大，漏極電流就隨之增大，漏極電流iD將減小。當(dāng)將減小。當(dāng)減小柵源間的反向偏置電壓時，漏極減小柵源間的反向偏置電壓時，漏極電流將增大。電流將增大。這就是結(jié)型場效應(yīng)管的這就是結(jié)型場效應(yīng)管的簡單工作原理。簡單工作原理。 改變改變 UGS ，改變了改變了 PN 結(jié)中電場，控制了結(jié)中電場，控制了 ID ，故，故稱場效應(yīng)管；稱場效應(yīng)管； ( (2) )結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使結(jié)型場效應(yīng)管

6、柵源之間加反向偏置電壓，使 PN 反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應(yīng)管反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應(yīng)管輸入電阻很高。輸入電阻很高。3）結(jié)論）結(jié)論3、特性曲線、特性曲線轉(zhuǎn)移特性測試電路轉(zhuǎn)移特性測試電路( (N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例) )常數(shù)常數(shù) DS)(GSDUUfIO UGSIDIDSSUP兩個重要參數(shù)兩個重要參數(shù)飽和漏極電流飽和漏極電流 IDSS( (UGS = 0 時的時的 ID) )夾斷電壓夾斷電壓 UP ( (ID = 0 時的時的 UGS) )UDSIDUDDUGGDSGV + +V + +UGS+ + mA1）轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性1）轉(zhuǎn)移特性）轉(zhuǎn)移特性O(shè) u

7、GS/VID/mAIDSSUP轉(zhuǎn)移特性曲線2）輸出特性）輸出特性當(dāng)柵源當(dāng)柵源 之間的電壓之間的電壓 UGS 不變時，漏極電流不變時，漏極電流 ID 與漏源與漏源之間電壓之間電壓 UDS 的關(guān)系，即的關(guān)系，即 結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：性曲線的近似公式：常數(shù)常數(shù) GS)(DSDUUfI)0( )1(GSP2PGSDSSD時時當(dāng)當(dāng)UUUUII UGS = 0 ，ID 最大；最大；UGS 愈負(fù)，愈負(fù)，ID 愈小；愈??；UGS = UP，ID 0。輸出特性有四個區(qū)：輸出特性有四個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū)可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)。和擊穿區(qū)。2） 輸出特性輸出特

8、性IDSSuDS=0 時輸出特性曲線場效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏場效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。UDS = 常數(shù)常數(shù)ID/mA0 0.5 1 1.5UGS /VUDS = 15 V5ID/mAUDS /V0UGS = 0 0.4 V 0.8 V 1.2 V 1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5結(jié)型場效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，結(jié)型場效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達(dá)可達(dá) 107 以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕以上。如希望得到更高的輸入電

9、阻，可采用絕緣柵場效應(yīng)管。緣柵場效應(yīng)管。在輸出特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性在輸出特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性1.4.2絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管 由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬金屬-氧化物氧化物-半半導(dǎo)體場效應(yīng)管導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱，或簡稱 MOS 場效應(yīng)管場效應(yīng)管。特點：輸入電阻可達(dá)特點：輸入電阻可達(dá) 109 以上。以上。類型類型N 溝道溝道P 溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型UGS = 0 時漏源間存在導(dǎo)電溝道稱時漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；耗盡型場效應(yīng)管；UGS = 0 時漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱時漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增

10、強(qiáng)型場效應(yīng)管。增強(qiáng)型場效應(yīng)管。1. N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 MOS 場效應(yīng)管場效應(yīng)管(1) 結(jié)構(gòu)與符號結(jié)構(gòu)與符號 以以P型材料為襯底，在其上制作兩個型材料為襯底，在其上制作兩個N型區(qū)（用型區(qū)（用N+ 表示），表示），引出兩個電極作為源極引出兩個電極作為源極s和漏和漏d，再在表面上覆蓋一層二氧化硅，再在表面上覆蓋一層二氧化硅 SiO2絕緣層，并在兩個絕緣層，并在兩個N+ 區(qū)之間的絕緣層外蒸發(fā)一層金屬鋁作區(qū)之間的絕緣層外蒸發(fā)一層金屬鋁作柵極柵極g。襯底引出引線。襯底引出引線B，將它與源極連在一起。圖（，將它與源極連在一起。圖（b）是其）是其電路符號，其箭頭的方向表示由電路符號，其箭頭的方向表示由

11、P型襯底指向型襯底指向N型溝道。型溝道。圖圖 (a)圖圖 (b)(2) 工作原理工作原理 絕緣柵場效應(yīng)管利用絕緣柵場效應(yīng)管利用 UGS 來控制來控制“感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些的多少，改變由這些“感感應(yīng)電荷應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流制漏極電流 ID。UGS = 0，或者柵極懸空，或者柵極懸空時，時，漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的 PN 結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總總是不導(dǎo)電是不導(dǎo)電。工作原理分析工作原理分析 P 型襯底中的電子被型襯底中的電子被吸引靠近吸引靠近 SiO2 與空穴復(fù)與

12、空穴復(fù)合，合，產(chǎn)生由負(fù)離子組成的產(chǎn)生由負(fù)離子組成的耗盡層。耗盡層。增大增大 UGS 耗盡層耗盡層變寬。變寬。1) ) UDS = 0，0 UGS UT2) ) UDS = 0，UGS UT 由于吸引了足夠多的電子，由于吸引了足夠多的電子，會在耗盡層和會在耗盡層和 SiO2 之間形成可之間形成可移動的表面電荷層移動的表面電荷層 反型層、反型層、N 型導(dǎo)電溝道。型導(dǎo)電溝道。 UGS 升高，升高，N 溝溝道變寬。因為道變寬。因為 UDS = 0 ，所以，所以 ID = 0。 UT 為開始形成反型層所需為開始形成反型層所需的的 UGS，稱，稱開啟電壓開啟電壓。3) ) UDS UT導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個楔形

13、。漏極形成電流導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個楔形。漏極形成電流 ID 。4) ) UDS= UGS UT， UGD = UT靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷?？拷O溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。5) ) UDS UGS UT， UGD UT由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS 逐漸增大時，導(dǎo)電溝道兩端電逐漸增大時，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，壓基本不變，ID 因而基本不變。因而基本不變。(3) 特性曲線特性曲線a) )轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性b) )輸出特性輸出特性UGS UT 時時) )四個區(qū)：可變電阻區(qū)、四個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)恒流區(qū)( (或飽和區(qū)或飽和區(qū)) )、夾斷區(qū)、夾斷

14、區(qū)和擊穿區(qū)。和擊穿區(qū)。2、N 溝道耗盡型溝道耗盡型 MOS 場效應(yīng)管場效應(yīng)管制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在這些正離子電場在 P 型襯底中型襯底中“感應(yīng)感應(yīng)”負(fù)電荷，形成負(fù)電荷，形成“反反型層型層”。即使。即使 UGS = 0 也會形成也會形成 N 型導(dǎo)電溝道。型導(dǎo)電溝道。UGS = 0，UDS 0，產(chǎn)生，產(chǎn)生較大的漏極電流；較大的漏極電流；UGS 0；uGS 正、負(fù)、正、負(fù)、零均可。零均可。sgdB(a)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性(b)輸出特性輸出特性(c)符號符號1.4.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)1、直流參數(shù)、直

15、流參數(shù)(1)飽和漏極電流飽和漏極電流 IDSS(2) 夾斷電壓夾斷電壓 UP(3) 開啟電壓開啟電壓 UT(4) 直流輸入電阻直流輸入電阻 RGS為耗盡型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。為耗盡型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。為耗盡型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。為耗盡型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場效應(yīng)管一般在輸入電阻很高。結(jié)型場效應(yīng)管一般在 107 以上，絕以上，絕緣柵場效應(yīng)管更高，一般大于緣柵場效應(yīng)管更高，一般大于 109 。2、交流參數(shù)、交流參數(shù)(1) 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo) gm(2) 極間電容極間電容 用以描述柵源之間的電壓用以描述柵源之間的電壓 UGS 對漏極電流對漏極電流 ID 的控的控制作用。制作用。常常數(shù)數(shù) DSGSDmuUIg單位：單位：ID 毫安毫安( (mA) )；UGS 伏伏( (V) )；gm 毫西門子毫西門子( (mS) ) 這是場效應(yīng)管三個電極之間的等效電容，包括這是場效應(yīng)管三個電極之間的等效電容，包括 CGS、CGD、CDS。 極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個皮法。般為幾個皮法。3、極限參數(shù)、極限參數(shù)(1) 漏極最大允許耗散功率漏極最大允許耗散功率 PDM(2) 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓 U(BR)DS